下载文档原格式
光学精密工程Optics and Precision Engineering第 29 卷 第 2 期2021年2月Vol. 29 No. 2Feb. 2021文章编号 1004-924X( 2021)02-0286-11机械轴与虚拟轴复合的磁流变抛光张韬，何建国，黄文，樊炜*,张云飞(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳621900)摘要：传统的磁流变抛光工艺采用抛光缎带的固定位置对工件进行法向加工，由于机床转轴的行程限制，工件陡度较高 区域不可达，当前基于等效磁场原理的变切触点抛光方法存在着等效磁场实现成本高，没有充分发挥机械轴与虚拟轴相 结合的抛光能力等问题。
本文针对这些问题提出了一种用于加工高陡度曲面元件的方法，分析了保证去除函数稳定的 磁场特点，通过磁场测量实验验证了磁场的稳定范围，通过采斑实验确定了去除函数稳定的虚拟轴范围为士 12°,提出了将虚拟轴与机械轴复合使用的加工方法，并基于刚体变换实现了该加工方法下的坐标解算。
最后，通过增加倾角的球面件抛光实验，将球面元件95% 口径的PV 值收敛为0.096久,RMS 值收敛为0.012A ,实验结果表明虚拟轴和机械轴复合抛光方法具有针对高陡度曲面的修形能力。
关 键 词：磁流变抛光；变切触点；机械轴；虚拟轴；高陡度曲面中图分类号:TH706文献标识码：Adoi ：10. 37188/OPE. 20212902.0286Magnetorheological finishing method that combinesmechanical and virtual axesZHANG Tao , HE Jian -guo , HUANG Wen , FAN Wei * , ZHANG Yun -fei('Institute of M echanical M a n u fa c turing Technology , China Academy of E ngineering Physics ,Mianyang 621900， China )* Corresponding author , E -mail ： :weifan 1127@hust. edu. cnAbstract ： The conventional magnetorheological finishing employs a fixed position of the polishing ribbonto perform normal processing on the workpiece. However ， the processing area of the workpiece is greatly restricted by the limited stroke of the machine tool rotary axis. Recently ， shortcomings of the current pol ishing method have been identified based on the principle of equivalent magnetic fields ， which implies a high cost for realizing an equivalent magnetic field and insufficient polishing ability due to the fact that the mechanical and virtual axes are not combined. A method for processing a high -gradient curved surface wasthus proposed in this study. The characteristics of the magnetic field that ensure the stability of the remov al function were then analyzed ， and the magnetic field stability range was verified through a magnetic fieldmeasurement experiment. The study also conducted a spot -taking experiment ， which determined that thefeasible range of the virtual axis for the removal function stability was 士 12°. A machining method thatcombines the virtual and mechanical axes was then proposed ， and a coordinate calculation for the machin-收稿日期:2020-10-28;修订日期:2020-11-20.基金项目：国家自然科学基金资助项目(No. 61605182)；中国工程物理研究院创新发展基金资助项目(No. K1267-2022-TCF )；科学挑战计划资助项目(No. TZ2016006-0502-03)第2期张韬，等：机械轴与虚拟轴复合的磁流变抛光287ing method was realized based on rigid body transformation.Finally，the study conducted a spherical polishing experiment with an greater inclination angle.Results shows that the peak-valley(PV)value of the spherical workpiece with a95%aperture size converges to0.096A,and the root mean square(RMS)value converges to0.012久，indicating that the proposed composite polishing method of virtual and mechanical axes can obtain a high-gradient surface.Key words：magnetorheological finishing；variable normal-contact；virtual axis；mechanical axis；high-gradient surface1引言随着现代科学技术的不断发展，复杂曲面光学元件在科学实验和国防领域中的应用越来越广泛。
浅谈磁流变液及其在机械工程中的应用引言磁流变液（MRF）作为一种新型智能材料，在外加磁场下其流变特性可以发生急剧变化：在没有外加磁场环境下，其是流动性良好的牛顿流体，而一旦受到外加磁场的作用，流体的流变特性将发生极大的变化，其表观粘度可以在10ms内增加数个数量级，并且表现出与固体相类似的力学性质，而且这种粘度的变化是可拟的，在去掉磁场作用后，其又会变成流动性良好的牛顿流体。
由于其具有这种特点，因此，其在社会各个领域得到了广泛的应用，尤其是机械工程领域。
1 磁流变液的构成及其流变特性磁流变液主要由三个部分组成，即载液、软磁性颗粒以及稳定剂，其中载液是组成磁流变液的重要成分，具有低凝固点、低粘度、耐腐蚀性以及热稳定性的特点，磁流变液应用的载液具有很多种，比如煤油、硅油等；软磁颗粒作为一种晶体尺寸在0.01-10μm的球形颗粒，种类也有很多种，而羟基铁粉与纯铁粉则是应用最广泛的软磁颗粒；在磁流变液中，稳定剂具有重要的作用，其不仅具有润滑的作用，还能够保证磁流变液的稳定性以及具有一定的抗腐蚀性，同时，其还能够防止磁性颗粒的沉降与聚集。
2 磁流变液的工作模式2.1 阀式模式在阀式模式下，磁流变液通常会在在两个静止的板极之间被限制，在两个板极的垂直作用之下，磁流变液的流动性能会发生一定的变化，从而使磁流变液的流动活塞受到的阻力发生变化，进而达到通过控制外加磁场对阻力进行控制的目的。
大部分流体的减震阀、控制阀采用的都是这种工作模式，比如四川宜宾普什重机有限公司研制的在工程机械中使用的发动机磁流变悬置系统，该系统就是针对某工程机械用发动机，首先对磁流变悬装置系统的结构尺寸进行确定，然后完成磁路设计。
2.2 剪切模式在剪切模式下，上下两极板是相对运动的，外加磁场通过极板作用于两极板之间的磁流变液，使之在两极板之间产生剪切力，通过改变磁场可连续改变切应力一切应变率的特性。
运用这种工作模式的磁流变器件很多，诸如离合器、制动器、旋转式阻尼器等。
磁流体抛光设备
磁流体抛光技术原理：
磁流体抛光技术是由前苏联传热传质研究所的Kordonski及作者
在20世纪90年代初将电磁学、流体力学和分析化学相结合而提出的一种新型的零件加工方法。
磁流体抛光技术是在一定磁场作用下，磁流变液中的磁性颗粒迅速凝聚，磁流变液粘度增大形成的一定硬度的“小磨头”代替传统抛光过程中的刚性抛光盘来加工零件表面的一种新技术。
原理如下图所示：
磁流变超精密磨床：美国QED公司的Q22系列磁流变抛光机床
国防科技大学研制的KDRMF-1000磁流变抛光设备，加直径为200mm，1;16的K9玻璃抛物面镜，其面形误差小于/100(rms)，粗糙度优于
0.5nm。
图。
流体抛光技术研究精密零件制造中的最终精加工是一种劳动强度大而不易控制的过程，它在全部制造成本中所占的比重有时可高达15%。
磨料流加工技术是一种能够保证精度、效率、经济的自动化光整加工方法，是解决精密零件最终精加工的一种有效方法[1]。
它是以一定的压力强迫含磨料的粘弹性物质（半流动状态的蠕变体或粘弹性体，称其为柔性磨料或粘弹性磨料）通过被加工表面，利用其中磨粒的刮削作用去除工件表面微观不平材料而达到对工件表面光整加工的目的。
磨料流加工是20世纪60 年代由美国两公司独立发展起来的，最初应用于航空、航天领域的复杂几何形状合金工件的去毛刺加工。
随着科学技术的飞跃发展，在宇航、导弹、电子、计算机等精密机械零件的工艺性能要求不断提高的情况下，以前用手工、机械、化学等方法对零件表面进行抛光、倒角、去毛刺均有其局限性，特别是对零件内小孔径、相互交叉的孔径及边棱进行抛光、倒角、去毛刺更是无能为力；而磨料流加工技术由于具有对零件隐蔽部位的孔、型腔研磨、抛光、倒圆角的作用，又有对外表面各种复杂型面研磨、抛光的能力，因而具有其它方法无法比拟的优越性。
目前，这项技术已应用在宇航和兵器工业，同时也扩展到了纺织、医疗、缝纫、精密齿轮、轴承、模具制造等其它机械行业。
近年来，Fletcher 等研究了磨料流加工中应用的高分子聚合物的热特性和流变性，认为介质的流变性对磨料流加工的成败具有重要的作用。
Davies 和Fletcher 研究了几种配料的流变性与其相应的加工参数之间的关系，结果表明黏度和磨料的比例都会影响温度和介质通过工件时的压力下降，在磨料流加工过程中温度是影响介质黏度的一个重要因素。
Williams 和Rajurkar 的研究表明，介质的黏度和挤压力主要决定着表面的粗糙度和材料去除率，表面粗糙度精度的改善主要发生在磨料介质的前几个挤压往复行程中，并提出了估算动态有效切削磨粒数目的方法和每个行程中磨粒磨损量的计算方法。
第7卷 第5期光学 精密工程Vol.7,No.5 1999年10月O PT I CS AND PR EC IS I ON EN G I N EER I N G O ctober,1999文章编号 10042924X(1999)0520001208磁流变抛光技术张 峰 余景池 张学军 王权陡(中国科学院长春光学精密机械研究所应用光学国家重点实验室 长春130022)摘 要 对磁介质辅助抛光技术20年来的发展作了简要的回顾,进而介绍了磁流变抛光技术的产生和发展背景、抛光机理及微观解释、数学模型,同时提出了这种抛光技术的关键所在,并对其发展未来进行了展望。
关键词 磁介质辅助抛光 磁流变抛光 磁流变抛光液 凸缎带 抛光区中图分类号 TQ171.684 文献标识码 A1 引 言 随着科学技术的进步,各个学科交叉发展,形成了许多新领域,产生了很多新技术。
对于光学加工技术,人们也不断地进行探索。
80年代初期,日本有人将磁场用于光学加工,形成了磁介质辅助抛光方法。
1984年,Y.T ain和K.Kaw ata[1]利用磁场辅助抛光对聚丙烯平片进行加工。
图1为这种加工方法的原理示意图。
他们将一些N、S极相间的长条形永久磁铁紧密相连排成一列形成非均匀磁场(磁通密度大约0.1T)。
将盛有非磁性抛光粉(碳化硅,直径4Λm,体积含量40%)和磁性液体(直径为10～15nm的四氧化三铁磁性微粒均匀地混合在二十烷基萘基液中)的均匀混合液的圆形容器放置在这个磁场中。
磁场梯度使抛光粉浮起来与浸在磁性液体中的工件相接触。
在加工过程中,工件与容器同时旋转来实现对材料的去除,其材料去除率为2Λm m in。
经过一小时的抛光工件表面粗糙度降低了10倍。
1987年,Y.Sati o等[2]人又在水基的磁性液体中对聚丙烯平片进行了抛光。
这种方法的缺点是抛光压力较小,不能对玻璃或其它较硬材料进行抛光,并且不能对工件面形进行较为有效的控制。
3国家自然科学基金资助项目(批准号69608006)收稿日期:1999-06-07修稿日期:1999-07-02F ig .1 Po lish ing of acrylic p lates w ith Si C abrasives in a m agnetic fluid compo sed of 15nm diam eterm agnetic particles .T he po le p ieces serve as the reference lapp ing surface fo r the w o rkp iece . 1989年,Suzuk i 等[3]人用柔性的橡胶垫和聚氨酯将铜盘槽内的磁性液体密封。
磁流体抛光技术
磁流体抛光技术是一种新型的表面抛光技术，其原理是利用磁流体在磁场作用下产生的磁流体流动来实现表面的抛光。
该技术具有高效、精度高、表面质量好等优点，已经被广泛应用于半导体、光学、精密机械等领域中。
磁流体抛光技术的工艺流程主要包括材料准备、磁流体制备、设备调试、抛光加工等步骤。
其中，磁流体制备是关键的环节，需要选择合适的磁流体材料，经过高能超声波处理、离心分离等工艺步骤，制备出具有一定流动性和稳定性的磁流体。
在抛光加工过程中，需要将待加工的工件放置在磁极之间，并通过调整磁场的强度和方向，使磁流体能够流经工件表面。
随着磁流体的流动，其中的磨料颗粒会不断地与工件表面摩擦，从而实现表面的抛光。
同时，磁流体还能够在加工过程中自动调整磨料颗粒的密度和分布，从而达到更好的加工效果。
总的来说，磁流体抛光技术是一种非常有前途的表面抛光技术，其应用前景十分广阔。
未来，随着磁流体材料的不断发展和加工设备的不断改进，相信该技术将会在更多领域中得到广泛应用。
- 1 -。
磁流变抛光技术的发展及应用摘要：阐述了磁流变抛光技术的原理，综述了磁流变抛光技术的国内外研究现状与研究进展，并详细介绍了磁流变液的性能评价标准，及依据这一标准选取磁流变液的各组分，配置出标准的光学用磁流变抛光液。
然后，介绍了磁流变抛光技术的研究方向。
最后对磁流变抛光技进行了前景展望。
关键词：磁流变抛光；磁流变液；光学加工The Development and Application of Magnetorheological Finishing (The Institute of Mechanical and Electrical Engineer, Xi'an Technological University,Xi’an710032,China)Abstract: This paper first introduces the principle of magnetorheological finishing, then its research status and progress at home and abroad are reviewed. A standard is also suggested for evaluation of fluid finishing of optical glass. The elements of MR fluid were chosen according to the standard and MR fluid was prepared for optical finishing. Finally, the prospect of the MFR technique is discussed.Key words:magnetorheological finishing; magnetorheological fluid;optical machining1引言：随着现代科学技术的发展，对应用于各种光学系统中的光学元件提出了越来越高的要求。
磁流变抛光技术的发展及应用摘要：阐述了磁流变抛光技术的原理，综述了磁流变抛光技术的国内外研究现状与研究进展，并详细介绍了磁流变液的性能评价标准，及依据这一标准选取磁流变液的各组分，配置出标准的光学用磁流变抛光液。
然后，介绍了磁流变抛光技术的研究方向。
最后对磁流变抛光技进行了前景展望。
关键词：磁流变抛光；磁流变液；光学加工The Development and Application of Magnetorheological Finishing (The Institute of Mechanical and Electrical Engineer, Xi'an Technological University,Xi’an710032,China)Abstract: This paper first introduces the principle of magnetorheological finishing, then its research status and progress at home and abroad are reviewed. A standard is also suggested for evaluation of fluid finishing of optical glass. The elements of MR fluid were chosen according to the standard and MR fluid was prepared for optical finishing. Finally, the prospect of the MFR technique is discussed.Key words:magnetorheological finishing; magnetorheological fluid;optical machining1引言：随着现代科学技术的发展，对应用于各种光学系统中的光学元件提出了越来越高的要求。
通常情况下，要求最终生产的光学元件具有高的面形精度、好的表面质量及尽量减少亚表面破坏层。
高的面形精度可以保证好的成像质量，平滑的表面可以减少散射，较低的亚表面破坏层可以避免在高能应用中的破坏。
因而光学元件的性能在很大程度上取决于制造过程。
已经研究出多种加工方法可以获得高精度的加工表面，其中典型的加工方法有塑性研磨、化学抛光、浮法抛光、弹性发射加工、粒子束抛光、射流抛光等等。
这些加工方法或者抛光效率太低，或者产生较大的亚表面破坏层，或者抛光不易控制，各自存在一定的缺陷。
磁流变抛光技术的应用解决了这一系列棘手问题，与传统的抛光技术相比，磁流变抛光具有抛光效率高、不产生亚表面破坏、适合复杂表面加工、磨头硬度可调及加工过程零磨损等优点。
目前磁流变抛光技术是国内外学者研究的一个热点，研究领域从简单的平面抛光到自由曲面抛光，从硬脆材料抛光到难加工金属表面的抛光等领域，范围越来越广。
可以说磁流变抛光技术将带给机械精加工行业一次新的飞跃。
1磁流变抛光技术的定义、原理及其发展历程1.1磁流变抛光的定义磁流变抛光（英文名称：Magnetorheological finishing）是一种利用磁流变效应中形成的具有黏塑行为的柔性“小磨头”与工件之间快速相对运动而产生的作用于工件表面上的很大的剪切力，来去除工件表面材料的技术。
磁流变抛光（MRF）是电磁理论、流体力学、分析化学等应用于光学表面加工而形成的一项综合技术。
1.2磁流变抛光的原理1.2.1磁流变抛光液的组成与性能评价标准敏微粒、表面活性剂以及其他一些添加剂按～定比例分散在基载液中形成的悬浮液。
当存在磁场情况下磁敏微粒被磁化，成链状或纤维状排列，这种排列导致整个流体的粘度增大，流动性降低从而表现出类固体性质；当磁场消失时，磁敏微粒又恢复到原来的自由无序状态，从而恢复流体的性能，液——固相互转化的过程在毫秒就就能完成。
磁流变抛光液是磁流变也的一种具体的工程应用，即在磁流变液中加入适当的抛光磨粒，使磁流变液具有一定的研磨作用，抛光磨粒在抛光过程中对工件起到机械刮削和去除作用，根据被加工工件材质的不同，可选择材料和大小不同的抛光磨粒。
1.2.2磁流变抛光的基本原理磁流变抛光是利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变效应的原理，使液体迅速变硬，进而形成Bingham流体，由其中的抛光磨粒通过机械的方式去除光学工件的表面材料。
如图1所示，工件位于抛光轮上方，并与抛光轮之间形成一个很小的并且固定不变的距离于是工件与抛光轮之间形成了一个空隙。
磁极置于工件和抛光下方，在工件和抛光盘所形成的小空隙附近形成一个高梯度磁场。
当抛光轮上的磁流变液随抛光轮一起运动到工件与抛光轮形成的小空隙附近时，高梯度磁场使之凝聚、变硬，形成一块凸起，成为粘塑性的Bingham介质。
这样具有较高运动速度的Bingham介质通过狭小空隙时对工件表面与之接触的区域会产生很大的剪切力，从而使工件的表面材料被去除，达到材料微纳米级去除的目的。
[1]2磁流变抛光实现的技术基础从磁流变抛光的机理可以看出，这种抛光技术实现的关键是：(1) 磁流变抛光液的研制。
磁流变抛光液应具有在无外加磁场时流动性好，当有外磁场作用时流变性好，硬度能变得很大，且对磁场的响应速度快等特点。
(2) 应能通过磁场控制磁流变抛光液形成“小磨头”的大小、形状以及“小磨头”作用于工件上的压力，从而控制材料的去除量，获得稳定的抛光过程。
在这两项关键技术上Rochester 大学的光学加工中心的研究人员做了大量的工作，并取得了一定的成果。
他们自行研制了许多种类的磁流变抛光液，把各种条件下所形成的抛光区形状输入微机，初步对磁流变抛光过程实现了数控。
这两项关键技术仍需进一步研究以便这种抛光技术更加完善。
我国从20世纪80年代中期就开始进行磁性研磨加工的研究，清华大学研制了五轴联动磁流变数控抛光系统，哈尔滨工业大学使用自行研制的磁流变抛光设备对光学玻璃和微晶玻璃进行了加工实验，程灏波研究了电磁抛光装置的结构设计及特性，程灏波、张峰、孙希威等人分别分析了磁流变抛光中的磁场，建立了抛光的数学模型，并对驻留时间的算法进行了研究。
以上研究为磁流变抛光技术的实际应用奠定了理论基础，推动了磁流变抛光技术的发展。
3国内外磁流变抛光技术的研究现状与进展自1948Rabinow年发现了磁流变效应后，经过诸多学者的不断努力，磁流变液的性能得到了很大的提高，已经广泛应用于产品开发与应用。
20世纪90年代初，Kordonski及其合作者发明了磁流变抛光技术（MRF）。
磁流变抛光研究现状与进展：1992年白俄罗斯的Kordonski W I等人最早将磁流变技术应用于光学加工。
1995年美国罗切斯特大学光学制造中心和Kordonski 合作，将磁流变抛光技术应用到光学加工中，使熔石英球面元件表面粗糙度降低到0.8nm(RMS)，面形误差0.09μ吗，BK7非球面光学元件表面粗糙度降低1nm( RMS) ，面形误差0.86μm。
1997 年，COM的研究人员对初始面形为30 nm左右的熔石英及其它6种玻璃材料光学元件进行试验，经过5~10min 的抛光，面形精度达到了1nm左右。
同时，他们又对磁流变抛光液成份进行了化学分析，通过以氧化铝或金刚石微粉等非磁性抛光粉代替原磁流变抛光液中的非磁性抛光粉氧化铈，较为成功地对一些红外材料进行了抛光。
通过配置不同成分的磁流变液，可以实现对软质材料(如氟化钙) 的加工。
将标准磁流变液中的氧化铈磨料换成纳米金刚石粉末，可以以1~10μm/min的去除率加工得到1nm 左右粗糙度的表面。
1999年，Rochester大学光学中心的研究人员确定了一系列不同硬度的非磁性抛光粉对不同硬度的光学玻璃的去除关系，分析了几种材料的抛光区特性。
该中心与QED公司合作，研制出Q22系列数控磁流变抛光机，并成功应用于光学非球面器件的抛光加工，实现了磁流变抛光技术的商业应用，该设备曾在美国柯达公司等单位应用[2]。
另外，白俄罗斯的Prokhorov研究了不同抛光参数对加工效率与表面质量的影响[3]。
德国、韩国、日本也有相关的学者在进行这方面的研究工作，取得了一定的进展。
我国从20世纪八十年中期开始对磁流变抛光技术进行研究，主要是长春光学精密机械研究所、哈尔滨工业大学和国防科技大学等单位对磁流变抛光理论进行了研究。
国防科技大学彭小强等人[ 4] 对磁流变抛光液在抛光区域的固态核分布进行了理论分析，根据加工工件表面材料去除率与压力参数p成正比的关系，建立了磁流变抛光的材料去除数学模型。
长春光学精密机械研究所张峰等人[11]建立了磁流变抛光的材料去除模型，对磁流变进行了研究，研究表明，工件表面所受的压力P 主要是由流体动压力Pd和磁化压力P m两部分组成的。
阳志强等人[5]在自制的磁流变抛光装置中通过被加工零件和Bingham 凸起相对运动产生的剪切力来实现抛光。
采用不同加工时间进行不同磁场强度组合实验的方法，克服了在该磁流变抛光技术中，抛光效率和被加工零件表面质量无法进一步提高的难点。
实验表明，通过采用不同磁场强度组合加工，使初始表面粗糙度( Ra) 为400nm的K9玻璃材料的平面，磁流变抛光30min后，表面粗糙度值达到了0. 86nm，表明这种方法大大提高了磁流变抛光技术中的抛光效率和被加工零件的表面质量。
为磁流变抛光工艺研究提供了一种新的思路，并为以后对磁流变抛光装置的研究和完善提供了实验依据。
康桂文对磁流变抛光光学玻璃进行了初步研究，配置了适合于光学玻璃研抛的磁流变液，测定了不同加工参数对抛光效率、表面质量的影响。
研究表明，磁流变抛光中工件材料的去除率与抛光盘的转速成正比，并在一定范围内随着外加磁场强度的增强而增大，工件材料的去除量与抛光时间成正比。
用原子力显微镜对工件进行检测，抛光后的光学玻璃表面粗糙度可以达到1nm左右。
同时，还进行了MRF 应用于微晶玻璃抛光的可行性研究，抛光后的微晶玻璃表面粗糙度达到0.684nm。
石峰等人采用自行研制的磁流变抛光机床KDMRF-1000和水基磁流变抛光液KDMRW-2进行了磁流变抛光去除磨削亚表面损伤层的实验研究。
研究表明，直径为100mm的K9材料平面玻璃，经过156 min的磁流变粗抛，去除了50 m深度的亚表面损伤层，表面粗糙度R值进一步提升至0. 926nm，经过17. 5 min的磁流变精抛，去除了玻璃表面200 am厚的材料，并消除磁流变粗抛产生的抛光纹路，表面粗糙度R值提升至0.575nm。
由此表明，应用磁流变抛光可以高效消除磨削产生的亚表面损伤层，提出的新工艺流程可以实现近零亚表面损伤和纳米级精度抛光两个工艺目标。
